CN110524377B - 一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法，属于电解磨削复合加工技术领域，本发明在电解磨削加工涡轮榫槽结构过程中，增加了多维超声振动作用，改善间隙内工作液流场、降低工具磨轮损耗，实现涡轮榫槽结构的高质量、低成本加工；构建了超声辅助精密电解磨削加工系统，通过控制计算机调控多维超声的各向振动，实现工具磨轮进给方向随动式的超声振动作用，并使其与电解加工脉冲电源参数相耦合，保障了加工过程的平稳性，为电解磨削加工技术在涡轮榫槽结构加工过程中的推广和应用提供可靠保障；本发明通过更换不同结构的工具磨轮和工作液喷嘴，可适用于不同型号涡轮榫槽结构的精密加工。

Description

一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法
技术领域
本发明属于电解磨削复合加工领域，涉及一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法，具体的说是涉及一种利用控制计算机调控多维超声的各向振动与电解加工脉冲电源参数相耦合，以实现涡轮榫槽结构的高质量低成本的加工系统及方法。
背景技术
分体式涡轮转子中，叶片与涡轮盘是通过榫接结构相连接的，其中，涡轮盘上榫槽结构的尺寸公差、形位公差要求均很高，给加工制造过程带来了极大的挑战。涡轮榫槽结构加工工艺过程复杂，通常在完成初步开槽之后，还要进行相应的粗、精加工才能达到涡轮盘榫槽结构的工艺需求。常规的机械加工方法，如铣削、拉削、磨削等，都存在刀具形状复杂、刀具刚性小且易损耗、刀具成本高等问题。采用电火花加工时，加工效率低下，且容易在工件表面产生重铸层和热影响区，影响工件的使用寿命。
电解磨削是一种将电解作用和磨削作用相结合的复合加工技术，加工过程中，通常采用导电磨轮作为工具阴极,利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合加工作用去除工件材料，不仅避免了机械磨削加工中砂轮磨损、磨削热等难题，而且极大提高了加工效率。显然，电解磨削技术在涡轮榫槽结构的加工过程中，具有较大的应用潜力。
但传统的电解磨削工艺方法中使用的工具砂轮通常极大，其直径一般为150-250mm。涡轮榫槽结构尺寸较小且截面形状复杂，采用大直径砂轮无法满足加工需求，而采用小直径仿行砂轮进行加工时，工作液无法顺利流入加工间隙，导致砂轮磨损、磨削热等问题加剧，甚至引起短路现象，损伤工具磨轮和阳极工件。该问题严重制约了电解磨削加工技术在涡轮榫槽加工过程中的推广和应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺点和不足，提出一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法，通过微位移传感器实时检测工具磨轮在进给方向上的振幅，调节脉冲电源的供电参数，实现超声振动对电解磨削复合加工涡轮榫槽结构的调控作用，从而达到超声辅助精密电解磨削加工涡轮榫槽的目的，可实涡轮现榫槽结构的高质量、低成本加工。
本发明的技术方案是：一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，包括涡轮盘半成品、工具磨轮；其特征在于，所述加工系统还由多轴机床运动机构及驱动系统、多维超声协调振动及微位移检测系统、电解磨削复合加工供电及电参数检测系统、工作液循环系统组成；
所述多轴机床运动机构及驱动系统由A轴旋转机构、X轴进给机构、Z轴进给机构、C轴旋转机构、运动驱动单元、CNC控制器、控制计算机连接构成；所述控制计算机将运动指令传输给所述运动驱动单元，再由所述运动驱动单元同时驱动A轴旋转机构、X轴进给机构及Z轴进给机构，从而使所述工具磨轮高速旋转的同时，沿着涡轮盘半成品的开槽方向进给；
所述多维超声协调振动及微位移检测系统由变幅杆、微位移传感器、控制计算机、超声波发生器、多维超声振动单元连接构成；所述控制计算机将振动指令传输给超声波发生器控制所述多维超声振动单元，再由所述控制多维超声振动单元驱动所述变幅杆，从而使所述工具磨轮沿其进给方向上作高频振动；
所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统由微位移传感器、脉冲电源、同步斩波电路、电参数采集装置、控制计算机连接构成；所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为所述工具磨轮和涡轮盘半成品提供稳定可调的电解加工参数；所述微位移传感器检测超声振动信号传输给所述控制计算机，控制计算机以超声振动信号作为控制信号调节脉冲电源的输出参数，微位移传感器将检测超声振动信号输送给同步斩波电路，确保所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统的输出电参数与所述多维超声协调振动及微位移检测系统的输出超声参数协调同步；
所述工作液循环系统由电解液槽、泵、调压阀、工作液喷嘴连接构成；所述工作液循环系统通过工作液喷嘴持续向工具磨轮和涡轮盘半成品的加工间隙内提供高压高速的工作液。
所述工具磨轮为可导电的金属结合剂砂轮，且工具磨轮的结构形状与涡轮榫槽轮廓一致。
所述多轴机床运动机构及驱动系统驱动所述工具磨轮高速旋转，并沿半精加工形成的钟形槽或枞树形槽方向进给。
所述所述多维超声协调振动及微位移检测系统为所述工具磨轮提供沿其进给方向上的超声振动，且振幅、频率可控可调。
所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为所述工具磨轮和涡轮盘半成品提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数同步耦合。
一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，包括如下步骤：
(1)开启所述工作液循环系统，该系统通过工作液喷嘴向加工区域内稳定输入高压、高速的工作液流；
(2)开启所述多维超声协调振动及微位移检测系统，该系统向所述工具磨轮(2)提供稳定、可调的高频超声振动，控制计算机通过微位移传感器检测并监控所述工具磨轮的振动参数；所述工具磨轮的高频振动，也促进加工间隙内的工作液及时更新，保障整个加工过程稳定可靠；
(3)开启所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统，该系统可为工具磨轮和涡轮盘半成品提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数协同同步，保障电解腐蚀过程和机械磨削过程按所需要求有序进行，实现涡轮榫槽结构的高质量加工；
(4)开启所述多轴机床运动机构及驱动系统，该系统驱动所述工具磨轮从涡轮盘半成品上端切入，并沿涡轮盘半成品的开槽方向进给，直至从涡轮盘半成品下端完全切出，完成单个涡轮榫槽的精密加工；
(5)当一个榫槽结构完整加工后，通过所述多轴机床运动机构及驱动系统调节工具磨轮至初始位置，并使涡轮盘半成品进行旋转分度，开始下一个榫槽结构的加工过程。当涡轮盘半成品上所有开槽结构都被工具磨轮加工成枞树形榫槽结构，即完成涡轮盘全部榫槽结构加工。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统及方法，系统组成新颖，加工方法原理清晰，包括涡轮盘半成品、工具磨轮、多轴机床运动及驱动系统、多维超声协调振动和微位移检测系统、电解磨削复合加工供电及电参数检测系统、工作液循环系统，工具磨轮结构形状与涡轮榫槽轮廓一致，工具磨轮从涡轮盘上侧切入，沿着半精加工形成的钟形槽或枞树形槽方向进给，直至枞树形榫槽结构加工完成；工作液喷嘴与半精加工轮廓的截面相似，从下侧向加工区域冲液；控制计算机调节多维超声振动系统，使其合成振动方向与工具磨轮的进给方向一致，并通过微位移传感器实时检测工具磨轮在进给方向上的振幅；控制计算机调节电解磨削复合加工供电回路，通过电参数采集装置监控加工电压及电流信号；在电解磨削复合加工供电回路中接入斩波电路，以工具磨轮在进给方向的振幅为控制信号，调节脉冲电源的供电参数，实现超声振动对电解磨削复合加工涡轮榫槽结构的调控作用，从而达到超声辅助精密电解磨削加工涡轮榫槽的目的。本发明与常规电解磨削加工技术相比，本发明采用电解磨削加工涡轮榫槽结构过程中，增加了多维超声振动作用，改善间隙内工作液流场、降低工具磨轮损耗，实现涡轮榫槽结构的高质量、低成本加工；构建了超声辅助精密电解磨削加工系统，通过控制计算机调控多维超声的各向振动，实现工具磨轮进给方向随动式的超声振动作用，并使其与电解加工脉冲电源参数相耦合，保障了加工过程的平稳性，为电解磨削加工技术在涡轮榫槽结构加工过程中的推广和应用提供可靠保障；本发明通过更换不同结构的工具磨轮和工作液喷嘴，可适用于不同型号涡轮榫槽结构的精密加工。
附图说明
图1 为本发明涡轮榫槽结构超声辅助精密电解磨削加工系统及方法示意图。
图中：涡轮盘半成品1、工具磨轮2、变幅杆3、A轴旋转机构4、X轴进给机构5、Z轴进给机构6、运动驱动单元7、CNC控制器8、微位移传感器9、控制计算机10、超声波发生器11、多维超声振动单元12、脉冲电源13、同步斩波电路14、电参数采集装置15、电解液槽16、泵17、调压阀18、工作液喷嘴19、C轴旋转机构20。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，包括涡轮盘半成品1、工具磨轮2、多轴机床运动机构及驱动系统、多维超声协调振动及微位移检测系统、电解磨削复合加工供电及电参数检测系统、工作液循环系统组成；多轴机床运动机构及驱动系统由A轴旋转机构4、X轴进给机构5、Z轴进给机构6、C轴旋转机构20、运动驱动单元7、CNC控制器8、控制计算机10连接构成；控制计算机10将运动指令传输给运动驱动单元7，再由运动驱动单元7同时驱动A轴旋转机构4、X轴进给机构5及Z轴进给机构6，从而使工具磨轮2高速旋转的同时，沿着涡轮盘半成品1的开槽方向进给。
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，多维超声协调振动及微位移检测系统由变幅杆3、微位移传感器9、控制计算机10、超声波发生器11、多维超声振动单元12连接构成；控制计算机10将振动指令传输给超声波发生器11控制多维超声振动单元12，再由控制多维超声振动单元12驱动变幅杆3，从而使工具磨轮2沿其进给方向上作高频振动。
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，电解磨削复合加工供电及电参数检测系统由微位移传感器9、脉冲电源13、同步斩波电路14、电参数采集装置15、控制计算机10连接构成；电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为工具磨轮2和涡轮盘半成品1提供稳定可调的电解加工参数；微位移传感器9检测超声振动信号传输给控制计算机10，控制计算机10以超声振动信号作为控制信号调节脉冲电源13的输出参数，微位移传感器9将检测超声振动信号输送给同步斩波电路14，确保电解磨削复合加工供电及电参数检测系统的输出电参数与多维超声协调振动及微位移检测系统的输出超声参数协调同步。
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，工作液循环系统由电解液槽16、泵17、调压阀18、工作液喷嘴19连接构成；工作液循环系统通过工作液喷嘴19持续向工具磨轮2和涡轮盘半成品1的加工间隙内提供高压高速的工作液。
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，工具磨轮2为可导电的金属结合剂砂轮，且工具磨轮2的结构形状与涡轮榫槽轮廓一致；多轴机床运动机构及驱动系统驱动所述工具磨轮2高速旋转，并沿半精加工形成的钟形槽或枞树形槽方向进给；多维超声协调振动及微位移检测系统为工具磨轮2提供沿其进给方向上的超声振动，且振幅、频率可控可调；电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为工具磨轮2和涡轮盘半成品1提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数同步耦合。
如图1所示，一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，包括如下步骤：
(1)开启工作液循环系统，该系统通过工作液喷嘴19向加工区域内稳定输入高压、高速的工作液流；
(2)开启多维超声协调振动及微位移检测系统，该系统向工具磨轮2提供稳定、可调的高频超声振动，控制计算机10通过微位移传感器9检测并监控工具磨轮2的振动参数；工具磨轮2的高频振动，也促进加工间隙内的工作液及时更新，保障整个加工过程稳定可靠；
(3)开启电解磨削复合加工供电及电参数检测系统，该系统可为工具磨轮2和涡轮盘半成品1提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数协同同步，保障电解腐蚀过程和机械磨削过程按所需要求有序进行，实现涡轮榫槽结构的高质量加工；
(4)开启多轴机床运动机构及驱动系统，该系统驱动工具磨轮2从涡轮盘半成品1上端切入，并沿涡轮盘半成品1的开槽方向进给，直至从涡轮盘半成品1下端完全切出，完成单个涡轮榫槽的精密加工；
(5)当一个榫槽结构完整加工后，通过多轴机床运动机构及驱动系统调节工具磨轮(2)至初始位置，并使涡轮盘半成品1进行旋转分度，开始下一个榫槽结构的加工过程，当涡轮盘半成品1上所有开槽结构都被工具磨轮2加工成枞树形榫槽结构，即完成涡轮盘全部榫槽结构加工。

Claims (5)

1.一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，包括涡轮盘半成品(1)、工具磨轮(2)以及由A轴旋转机构(4)、X轴进给机构(5)、Z轴进给机构(6)、C轴旋转机构(20)、运动驱动单元(7)、CNC控制器(8)、控制计算机(10)连接构成的多轴机床运动机构及驱动系统；其特征在于：所述工具磨轮(2)为可导电的金属结合剂砂轮，且工具磨轮(2)的结构形状与涡轮榫槽轮廓一致，所述加工系统还由多维超声协调振动及微位移检测系统、电解磨削复合加工供电及电参数检测系统、工作液循环系统组成；
所述控制计算机(10)将运动指令传输给所述运动驱动单元(7)，再由所述运动驱动单元(7)同时驱动A轴旋转机构(4)、X轴进给机构(5)及Z轴进给机构(6)，从而使所述工具磨轮(2)高速旋转的同时，沿着涡轮盘半成品(1)的开槽方向进给；
所述多维超声协调振动及微位移检测系统由变幅杆(3)、微位移传感器(9)、控制计算机(10)、超声波发生器(11)、多维超声振动单元(12)连接构成；所述控制计算机(10)将振动指令传输给超声波发生器(11)控制所述多维超声振动单元(12)，再由所述多维超声振动单元(12)驱动所述变幅杆(3)，从而使所述工具磨轮(2)沿其进给方向上作高频振动；
所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统由微位移传感器(9)、脉冲电源(13)、同步斩波电路(14)、电参数采集装置(15)、控制计算机(10)连接构成；所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为所述工具磨轮(2)和涡轮盘半成品(1)提供稳定可调的电解加工参数；所述微位移传感器(9)检测超声振动信号传输给所述控制计算机(10)，控制计算机(10)以超声振动信号作为控制信号调节脉冲电源(13)的输出参数；同时，微位移传感器(9)将检测超声振动信号输送给同步斩波电路(14)，确保所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统的输出电参数与所述多维超声协调振动及微位移检测系统的输出超声参数协调同步；
所述工作液循环系统由电解液槽(16)、泵(17)、调压阀(18)、工作液喷嘴(19)连接构成；所述工作液循环系统通过工作液喷嘴(19)持续向工具磨轮(2)和涡轮盘半成品(1)的加工间隙内提供高压高速的工作液。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，其特征在于：所述多轴机床运动机构及驱动系统驱动所述工具磨轮(2)高速旋转，并沿半精加工形成的钟形槽或仿枞树形槽方向进给。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，其特征在于：所述多维超声协调振动及微位移检测系统为所述工具磨轮(2)提供沿其进给方向上的超声振动，且振幅、频率可控可调。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，其特征在于：所述电解磨削复合加工供电及电参数检测系统为所述工具磨轮(2)和涡轮盘半成品(1)提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数同步耦合。
5.一种涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工方法，其特征在于：使用权利要求1-4项所述任一项的涡轮榫槽超声辅助精密电解磨削加工系统，包括如下步骤：
(1)开启工作液循环系统，该系统通过工作液喷嘴(19)向加工区域内稳定输入高压、高速的工作液流；
(2)开启多维超声协调振动及微位移检测系统，该系统向工具磨轮(2)提供稳定、可调的高频超声振动，控制计算机(10)通过微位移传感器(9)检测并监控工具磨轮(2)的振动参数；工具磨轮(2)的高频振动，也促进加工间隙内的工作液及时更新，保障整个加工过程稳定可靠；
(3)开启电解磨削复合加工供电及电参数检测系统，该系统可为工具磨轮(2)和涡轮盘半成品(1)提供稳定可调的电解加工参数，且脉宽和脉间电解加工参数可与超声振动参数协同同步，保障电解腐蚀过程和机械磨削过程按所需要求有序进行，实现涡轮榫槽结构的高质量加工；
(4)开启多轴机床运动机构及驱动系统，该系统驱动工具磨轮(2)从涡轮盘半成品(1)上端切入，并沿涡轮盘半成品(1)的开槽方向进给，直至从涡轮盘半成品(1)下端完全切出，即完成单个榫槽的精密加工；
(5)当一个榫槽结构完整加工后，通过多轴机床运动机构及驱动系统调节工具磨轮(2)至初始位置，并使涡轮盘半成品(1)进行旋转分度，开始下一个榫槽结构的加工过程，当涡轮盘半成品(1)上所有开槽结构都被工具磨轮(2)加工成要求的枞树形榫槽结构，即完成涡轮盘全部榫槽结构加工。
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